a. Xác định nhiệt độ
Trong viễn thám hồng ngoại nhiệt, nhiệt độ bức xạ (TR) được định nghĩa như là nhiệt độ tương đương của vật đen truyền cùng một lượng bức xạ thu được từ một vật thực tế và phụ thuộc vào nhiệt độ động lực bề mặt thực (TK) và độ phát xạ. Trường hợp không phải vật đen, tổng lượng bức xạ phát ra được biểu diễn theo định luật Stefan- Bolzman như sau:
4 R B T (2.4) Suy ra: 1 4 R K T T (2.5) Như vậy, nhiệt độ bức xạ của vật tự nhiên sẽ nhỏ hơn nhiệt độ bức xạ của vật đen tại cùng một nhiệt độ. Điều này cho thấy rằng nhiệt độ được đo bằng phương pháp viễn thám sẽ nhỏ hơn nhiệt độ động lực bề mặt tương đương bởi hệ số ε¼.
Nhiệt độ bức xạ được đo bởi các bộ cảm biến trên vệ tinh là nhiệt độ bức xạ còn gọi là nhiệt độ sáng của vật đen tuyệt đối (với ε=1) và được xác định theo định luật:
2 1 ln 1 B K T K B (2.6)
25
Trong đó, Bλ - bức xạ của vật đen tuyệt đối (Wm-2μm-1); K1 = 2πhc2/λ5; K2= hc/kλ; h - hằng số Planck (6,62x10-34 Js); c - vận tốc ánh sáng (3x108ms-1); k - hằng số Boltzman (1,38x10-23 JK-1); λ - bước sóng trung tâm (μm).
Nhiệt độ bề mặt (hay nhiệt độ động năng bề mặt) là nhiệt năng của một vật thể và có thể được đo bằng nhiệt kế. Công thức (2.5) cho thấy giữa nhiệt độ bức xạ và nhiệt độ bề mặt có mối được nhiệt độ bức xạ thì số liệu này có thể được dùng để tính nhiệt độ mặt đất như sau: 2 1 4 S B K T T (2.7)
Nhiệt độ bề mặt bị ảnh hưởng chủ yếu bởi bức xạ mặt trời. Độ chính xác ước tính của nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố: khí quyển, tương tác giữa bề mặt và khí quyển, độ phát xạ vật thể và độ phân giải ảnh. Nhiệt độ bề mặt đo lường từ viễn thám nhiệt có thể bị ảnh hưởng bởi sự hỗn hợp của các yếu tố dưới pixel, xảy ra khi có nhiều hơn một vật thể tồn tại bên trong trường nhìn của bộ cảm biến (FOV). Vì vậy, để so sánh nhiệt độ đo từ viễn thám nhiệt với số đo thực mặt đất, cần phải chọn lựa các khu vực đối tượng lớn hơn kích thước pixel.
b. Xác định độ phát xạ
Độ phát xạ (ε) là tỷ số giữa năng lượng phát xạ từ bề mặt tự nhiên trên năng lượng phát xạ từ vật thể đen ở cùng bước sóng và nhiệt độ (xem công thức 2.3). Nhiệt độ và độ phát xạ luôn luôn là hai biến cần xác định trong phương pháp viễn thám, do đó các phương pháp thường phát triển tính toán đồng thời giá trị của hai biến trên. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp và không xác định, nên bài toán giải N+1 ẩn số không được giải với độ chính xác và tính tổng quát đầy đủ. Tuy nhiên, độ phát xạ bề mặt là biến ít thay đổi theo thời gian và không gian so với nhiệt độ bề mặt, vì vậy ta thường xác định độ phát xạ bề mặt trước khi tính toán nhiệt độ bề mặt.
26
Có nhiều phương pháp tính độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu của các bộ cảm biến vệ tinh hiện hành. Một số phương pháp giả thiết ban đầu độ phát xạ là hằng số (ví dụ phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM, NOR) hoặc nhiệt độ là hằng số (phương pháp tỷ số phổ), lúc đó biến không biết được tính và biến hằng số đã được giả thiết sẽ được tính lại tiếp sau đó. Một số phương pháp bỏ qua khái niệm phản xạ bề mặt hoặc yêu cầu biết trước thông tin bề mặt như phương pháp NDVI.
Phương pháp dựa trên NDVI rất hữu ích nếu biết trước độ phát xạ của đất trống và thực vật cũng như cấu trúc và phân bố thực vật. Ước tính độ phát xạ bề mặt từ kênh khả kiến và cận hồng ngoại theo phương pháp NDVI có 3 ưu điểm chính: (1) các bộ cảm biến trên vệ tinh thường cung cấp độ phân giải không gian cao hơn đối với các kênh khả kiến và cận hồng ngoại so với kênh nhiệt, vì vậy bản đồ độ phát xạ thu được sẽ có độ phân giải không gian cao hơn so với các phương pháp tính trực tiếp từ các kênh nhiệt; (2) phương pháp NDVI có thể được ứng dụng cho bất kỳ bộ cảm biến nào, không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt; (3) trình tự tính toán đơn giản và hiệu chỉnh khí quyển ít phức tạp.
Các pixel đại diện bề mặt đất thường là các pixel hỗn hợp chứa cả thực vật và đất tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh vệ tinh. Độ phát xạ hiệu quả của một pixel có thể được ước tính bằng cách cộng lại các phần đóng góp của độ phát xạ thực vật và độ phát xạ đất chứa trong đó. Van de Griend và Owe (1993) đã thực hiện thí nghiệm đo đạc trực tiếp độ phát xạ và phản xạ phổ trong dải khả kiến và cận hồng ngoại để tính NDVI và tìm ra được mối quan hệ thực nghiệm giữa độ phát xạ và NDVI như sau:
ε = a + b.ln(NDVI) (2.8)
Với a = 1.0094 và b = 0.047. Quan hệ này chỉ thực thi đối với các khu vực có đặc tính đồng nhất. Valor và Caselles (1996) đã đưa ra một mô hình tương tự cũng dựa trên NDVI nhưng có thể ứng dụng cho các khu vực không đồng nhất với nhiều kiểu đất, thực
27
vật và thực phủ thay đổi. Theo mô hình này, độ phát xạ hiệu quả của bề mặt không đồng nhất được định nghĩa là tổng độ phát xạ của các thành phần đơn giản của nó:
ε = εv Pv + εs (1 – Pv) (2.9) Trong đó, εv và εs là độ phát xạ của thực vật và đất tinh khiết, nghĩa là trong vòng một pixel đại diện chỉ là thực vật hoặc chỉ là đất, không có sự pha trộn. Pv là tỷ lệ hay hợp phần hiện diện của thực vật trong pixel, giá trị từ 0 (đối với đất trống) đến 1 (đối với đất phủ đầy thực vật). Do đó Pv có thể được tính theo NDVI tương quan với các ngưỡng giá trị NDVIs của đất trống hoặc NDVIv của đất phủ đầy thực vật. NDVI được xác định theo tỷ số giá trị phản xạ của các kênh đỏ thuộc dải khả kiến và cận hồng ngoại ((NIR- Red)/(NIR+Red)). Pv được xác định theo công thức tỷ số như sau:
2 S V V S NDVI NDVI P NDVI NDVI (2.10)
Việc xác định độ phát xạ theo phương pháp NDVI yêu cầu phải biết trước độ phát xạ của đất và thực vật. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều lấy số liệu độ phát xạ từ các văn liệu sẵn có qua đo đạc thực nghiệm trên các mẫu đại điện. Điều này dễ dẫn đến sai số vì mỗi khu vực mỗi bề mặt sẽ có đặc trưng vật lý khác nhau, cần thiết phải xác định riêng cho khu vực của mình.